[논문]적응 역기전력 추정기와 개선된 순시 무효전력 보상기를 이용한 돌극형 영구자석 전동기의 센서리스 제어

이준민; 홍주훈; 김영석

doi:10.5370/kiee.2016.65.5.794

적응 역기전력 추정기와 개선된 순시 무효전력 보상기를 이용한 돌극형 영구자석 전동기의 센서리스 제어
A Sensorless Control of IPMSM using the Adaptive Back-EMF Estimator and Improved Instantaneous Reactive Power Compensator 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.5, 2016년, pp.794 - 803

이준민 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Inha University) , 홍주훈 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Inha University) , 김영석 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Inha University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper propose a sensorless control system of IPMSM with a adaptive back-EMF estimator and improved instantaneous reactive power compensator. A saliency-based back-EMF is estimated by using the adaptive algorithm. The estimated back-EMF is inputted to the phase locked loop(PLL) and the improved instantaneous reactive power(IRP) compensator for estimating the position/speed of the rotor and compensating the error components between the estimated and the actual position, respectively. The stability of the proposed system is achieved through Popov's hyper stability criteria. The validity of proposed algorithm is verified by the simulations and experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 이에 대응하기 위해 영구자석 동기 전동기(interior permanent magnet synchronous motor, IPMSM) 가변속 구동시스템의 제 정수 변동과 외란에 강인한 동특성을 가지는 개선된 순시 무효전력 보상기를 적용한 새로운 IPMSM의 센서리스 제어시스템을 제안한다.
본 논문은 추정된 역기전력을 역기전력 관측기와 직렬로 연결된 PLL에 입력하여 속도와 위치를 추정하기 위하여 사용한다. 일반적으로, 기존의 센서리스 제어 기법은 다음 식과 같이 arctan 함수를 사용하는 수학적인 방법으로써 회전자의 속도와 위치를 직접적으로 추정한다.
이 논문은 기존의 논문이 가지는 단점을 개선하기 위하여 개선된 순시무효전력 보상기를 이용한 새로운 보상 알고리즘을 제시한다. 돌극성 역기전력 성분은 MRAC(Model Reference Adaptive Control) 기법을 이용해 추정되며 Popov의 hyper stability을 이용하여 제안하는 제어 시스템이 안정함을 증명한다.

가설 설정

식 (11), (12)와 (14), (15)의 차를 이용해 나타낸 상태 오차방정식은 다음과 같다. 여기서 적응 제어를 통해 추정속도는 실제속도를 완벽히 추정했다고 가정한다.

제안 방법

인버터의 DC링크는 400[V], 4700[uF] 용량의 전해 커패시터 2개를 직렬로 부착하여 입력 전압원으로 사용한다. 3상 전압형 인버터의 스위칭 소자는 정격1200[V]와 50[A] 정격을 가지는 Eupec 社의 IGBT (insulated gate bipolar transistor) 모듈 BSM50GB120DLC 3조를 사용하여3상 풀 브리지 형태를 취하는 전력 회로로 구성하였다. 암 단락을 막기 위한 휴지기간은 약 5u[sec]로 선정 하였다.
따라서, 시스템을 안정하고 강인하게 동작시키기 위하여 제안된 시스템은 PLL 사용하여 회전자의 위치와 속도를 추정한다[14]. 제안된 제어기는 주파수와 위상을 추정하는 빠른 동적 특성을 보장하고 시스템을 왜란에 강인하게 만든다.
본 절은 제안하는 순시 무효전력 보상기를 적용한 센서리스 제어시스템의 성능 평가를 위한 IPMSM의 무부하 및 부하 실험을 수행하고 그 결과를 비교 분석한다.
연속적인 순시 전류를 검출하여 전류 제어기에 공급하고 영구자석 동기 전동기를 제어하기 위하여 3상 전류는 50A급의 LEM社의 전류센서(current transducer, CT) LA 55-P를 이용해 측정한다. 공간벡터 제어와 과전압 보호를 위한 DC링크단의 전압 검출은 500V급의 LEM 社의 전압센서(voltage transducer, VT) LV-25P를 사용한다.
따라서, 시스템을 안정하고 강인하게 동작시키기 위하여 제안된 시스템은 PLL 사용하여 회전자의 위치와 속도를 추정한다[14]. 제안된 제어기는 주파수와 위상을 추정하는 빠른 동적 특성을 보장하고 시스템을 왜란에 강인하게 만든다. 제안된 PLL 제어기는 다음의 식을 통해 유도된다.
제안하는 방법은 기존의 순시 무효전력 보상기의 무효전력 계산 기법과 SPMSM에만 직접적으로 적용이 가능한 단점을 개선하고, 제 정수의 영향과 주변 운전조건의 변화에 영향을 받지 않는 신뢰성 있는 보상기를 제안하였다. 제안하는 방법은 속도 오차를 보상하기 위한 추가적인 회로나 신호를 필요로 하지 않는 장점을 가지며 파라메터의 변화에 영향을 받지 않는, 다른 센서리스 제어기에도 쉽게 적용 가능한 경제적이고 새로운 기법이라 할 수 있다.
제안하는 순시 무효전력 보상기를 적용한 IPMSM 센서리스제어 시스템의 성능을 검증하기 위해 실험을 수행하였다. 실험은 표 1과 같은 정수를 바탕으로 수행된다.
제안하는 알고리즘은 TI社의 32bit floating point DSP (TMS320F28335)에 의해 구현된다. 전체 제어 시스템의 스위칭 주파수는 10k[Hz]이며, 샘플링 타임은 100u[s]이다.

대상 데이터

그림 6 실험 시스템의 추정 성능의 분석과 실제 속도의 비교를 위한 목적으로 512ppr의 로터리 엔코더를 사용하였다.
실험을 위한 부하 장치로는 vibro-meter 社의 2PB65 다이나모미터와 MAGTROL 社의 DSP6001 다이나모미터 제어기를 사용하였다. 영구자석 동기 전동기의 축과 다이나모미터 부하의 축은 커플러를 통하여 연결하였다.

이론/모형

이 논문은 기존의 논문이 가지는 단점을 개선하기 위하여 개선된 순시무효전력 보상기를 이용한 새로운 보상 알고리즘을 제시한다. 돌극성 역기전력 성분은 MRAC(Model Reference Adaptive Control) 기법을 이용해 추정되며 Popov의 hyper stability을 이용하여 제안하는 제어 시스템이 안정함을 증명한다. 추정된 돌극성 역기전력 성분은 PLL과 순시 무효전력 보상기에 입력되어 회전자의 위치와 속도를 추정하기 위하여 그리고 속도오차를 보상하기 위하여 사용된다.

성능/효과

그림 8은 무부하 구동 후 100%(10[Nm])의 정격 부하를 인가한 실험 결과이다. 스텝 부하 인가로 인해 약 1.5%의 속도 변동을 보이나 제안하는 제어기를 통해 약 0.7[s] 후 지령 속도를 정확히 추종함을 보여준다. 그림9는 1800[rpm] 속도로 전동기를 무부하 구동 후 연속적으로 100%(10[Nm])의 정격 부하를 인가하여 시스템의 안정성을 테스트하였다.
그림9는 1800[rpm] 속도로 전동기를 무부하 구동 후 연속적으로 100%(10[Nm])의 정격 부하를 인가하여 시스템의 안정성을 테스트하였다. 연속적인 스텝 부하 인가에도 지령 속도를 안정하게 추종하며 빠르게 지령 속도에 도달하도록 제어함으로써 연속적인 외란에도 강인하게 동작함을 확인 가능하다.
제안된 적응 제어기를 통해 실제 전류와 추정전류 그리고 추정된 역기전력과 실제 역기전력 사이의 오차가 0으로 수렴한다. 관측기를 설계하기 앞서 역기전력의 오차를 다음과 같이 정의한다.

후속연구

제안하는 방법은 기존의 순시 무효전력 보상기의 무효전력 계산 기법과 SPMSM에만 직접적으로 적용이 가능한 단점을 개선하고, 제 정수의 영향과 주변 운전조건의 변화에 영향을 받지 않는 신뢰성 있는 보상기를 제안하였다. 제안하는 방법은 속도 오차를 보상하기 위한 추가적인 회로나 신호를 필요로 하지 않는 장점을 가지며 파라메터의 변화에 영향을 받지 않는, 다른 센서리스 제어기에도 쉽게 적용 가능한 경제적이고 새로운 기법이라 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영구자석 동기 전동기의 장점은?	영구자석 동기 전동기(PMSM)는 단위 무게당 높은 효율, 출력 밀도, 높은 공극 밀도와 제어의 용이함으로 저용량 서보 시스템과 고용량 추진 장치 시스템 등의 다양한 산업 응용 사용되고 있다[1].
	센서를 사용하는 것의 단점은?	이 정보들은 일반적으로 홀 센서, 레졸버 또는 엔코더 같은 속도를 측정하기 위한 센서를 사용하여 얻어진다. 그러나, 센서를 사용하는 것은 추가적인 비용이 들고 시스템의 부피를 증가시키며 전체 시스템의 신뢰도를 낮추는 단점을 가진다.
	센서리스 기법은 어떠한 방식들이 있는가?	첫 번째 방법은 역기전력을 추정하는 방식이다[2]-[5]. 이 방법은 산업계의 주류를 이루는 방식으로써 중/고속 영역에서 좋은 성능을 보인다. 그러나 역기전력은 회전자 속도의 함수이기 때문에, 일반적으로 정격속도의 N/20정도인 저속 영역에서의 성능이 좋지 않은 단점을 가진다. 두 번째 기법은 추정기법을 사용하는 것으로 일반적으로 고정자의 자속을 추정하는 것과 연관이 있다[6-7]. 고정자 자속은 고정자 전압과 전류 사이의 오차를 적분하는 것으로 추정 가능하나이 방법은 고정자 저항의 변화 등 파라메터의 변화에 민감하며 초기조건 및 DC 오프셋과 발산의 문제를 가진다[8]. 세 번째 방법은 돌극성 및 신호 주입을 이용하는 방법이다[9, 10]. 이 방법은 속도 추정을 위하여 고정자의 전압과 전류를 사용하지 않기 때문에 저속에서도 회전자의 위치와 속도를 추정 하는 것이 가능하다. 그러나 주입 신호를 생성하기 위한 별도의 추가적인 하드웨어가 필요하고 부극성의 토크 발생으로 성능 저하가 발생 될 수 있다[11].

참고문헌 (15)

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Omrane, Ines, et al. "Modeling and simulation of soft sensor design for real-time speed and position estimation of PMSM." ISA transactions (2015).
Zhu, Hao, Xi Xiao, and Yongdong Li. "A simplified high frequency injection method for PMSM sensorless control." Power Electronics and Motion Control Conference, 2009. IPEMC'09. IEEE 6th International. IEEE, 2009.
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Kim, Y. S., Y. K. Choi, and J. H. Lee. "Speed- sensorless vector control for permanent-magnet synchronous motors based on instantaneous reactive power in the wide-speed region." Electric Power Applications, IEE Proceedings-. Vol. 152. No. 5. IET, 2005.
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Sackmann, Martin, and Volker Krebs. "Nonlinear control of a continuously variable transmission using hyperstability theory." Proc. of the European Control Conference. Karlsruhe, Germany. 1999.
Olivieri, C., and M. Tursini. "A novel PLL scheme for a sensorless PMSM drive overcoming common speed reversal problems." Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), 2012 International Symposium on. IEEE, 2012.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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